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新型光刻技術解決矽材料脆性難題,MEMS機械性能極限有望突破

發布時間:2020/6/29编辑:Ma Liang 人氣:1667

  【阿儀網 行业資訊】据麦姆斯咨询介绍,硅材料从大自然常见的沙子中取材,成本低、产量大,因此被广泛用作MEMS器件的衬底材料,并被誉为信息时代的“骨干”材料。但是,硅在常温环境下的脆性限制了MEMS的许多机械性能。苏黎世联邦理工学院(ETH)与瑞士国家联邦实验室(EMPA)材料与纳米结构力学实验室合作完成的新研究表明,在特定的受控条件下,硅可以成为又容易变形又坚固的材料。此项功能特性的增强将有助于解决MEMS机械性能极限难题。
電子顯微鏡下的矽柱形貌


曆經十年的研究成果

聯合小組經過長達十年的研究,重點是采用光刻工藝替代聚焦離子束(FIB)工藝來完成在矽晶圓上的結構制作。FIB雖然可以實現矽晶圓結構,但會對矽表面造成損傷並産生缺陷,矽晶圓開裂的風險較高。

为了找到替代方案,研究团队尝试了一套特殊光刻技术。“首先,我们使用等离子体气体刻蚀硅表面无光刻胶保护的区域,从而获得我们所需的结构——微型硅柱。”该研究小组负责人Jeff Wheeler的学生Ming Cheng解释说,“在接下来的工艺步骤中,硅柱表面被氧化,氧化层厚度小于100 nm,再用氟化氢(HF)完全去除氧化层,完成表面清洁。”

研究團隊對矽柱的強度和塑性變形能力進行了測試,稱已經達到了超高的彈性應變極限和接近完美的強度——用光刻技術制作的矽柱變形能力是過去研究記錄的十倍以上。
左图为硅柱制造流程示意图,右图为電子顯微鏡下的矽柱形貌展示
在電子顯微鏡下觀察不同直徑尺寸的矽柱


實現“絕對純度”,接近理論水平的堅固度

研究結果表明不僅矽柱的變形能力比過去增強了十倍,強度也達到了以往認知中只有理想晶體才能達到的理論水平。根據Wheeler介紹,矽柱如此堅固的原因來自矽柱表面的“絕對純度”,這是通過最後的清潔步驟實現的。該工藝大大減少了會導致矽材料開裂的表面缺陷數量。
采用光刻工艺完成的硅柱(实线)和FIB工艺完成的硅柱(虚线)在恒定应变速率为5 × 10?? s?1变化下的应力曲线对比

Wheeler還指出,團隊的研究結果可能會對矽基MEMS制造産生直接而深刻的影響:“通過這種工藝,有望將智能手機中的MEMS陀螺儀做得更小、更堅固。”

Wheeler及其團隊研究的工藝方法已經被業界采用,用于改善現有工藝,以及晶體結構與矽類似的其它材料性能。

該項研究帶來的另一個優點是可以改善材料的電性能。對矽施加較大的應力可以改善電子遷移率,將該結構集成到半導體芯片中可以縮短開關時間。

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